К фотосинтезу способна

К фотосинтезу способна

Фотосинтезирующие бактерии.

ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИЕ БАКТЕРИИ, осуществляют фотосинтез при участии пигментов – хлорофиллов, используя энергию света. У одних фотосинтез сопровождается выделением кислорода (оксигенные бактерии), у других нет (аноксигенные фототрофы). Оксигенные бактерии представлены цианобактериями, они, как все водоросли, содержат хлорофилл а. Аноксигенные фототрофы содержат различные формы бактериохлорофиллов, к ним относят зелёные и пурпурные серные бактерии, пурпурные несерные бактерии.

Зелёные и пурпурные серные бактерии в фотосинтезе вместо воды используют сероводород, пурпурные несерные бактерии в качестве донора электронов используют органические соединения. Пурпурные серные бактерии внутри своих клеток запасают серу, встречаются в пресных и солёных водоёмах, серных источниках, образуя пурпурные налёты на иле или окрашенные слои воды. Среди них есть как подвижные, так и неподвижные формы. Зелёные серные бактерии – группа очень мелких бактерий разной морфологии. Живут в строгих анаэробных условиях, серу в клетках не накапливают, а выделяют её наружу. Большинство способно к азотофиксации.

Хемосинтезирующие бактерии— бактерии, осуществляющие хемосинтез Х.б. не являются единой в таксономическом отношении группой, а систематизируются в зависимости от окисляемого неорганического субстрата. Аэробные Х.б. (водородные, нитрифицирующие, тионовые и др.) усваивают СО2 так же, как при фотосинтезе; анаэробные Х.б. восстанавливают соединения серы и СО2. Х.б. имеют важное значение для с. х-ва: нитрифицирующие почвенные бактерии образуют нитраты из аммония, серные бактерии участвуют в образовании в почве доступных для растений сульфатов, метанобразующие бактерии используются для получения биогаза из органических отходов; играют важную роль в биогеохимических циклах в биосфере.

Метанобразующие бактерии— анаэробные бактерии способные получать энергию за счет восстановления CO2 до метана (CH4); некоторые из них способны также сбраживать метиловый спирт или уксусную кислоту, при этом метан образуется из углерода метильной группы. М.б. не образуют спор, трудно выделяются в чистой культуре. Используются для получения биогаза из органических отходов с. х-ва (утилизация этих отходов предотвращает также загрязнение ими окружающей среды).

Нитрифицирующие бактерии— аэробные почвенные бактерии, облигатные автотрофы , осуществляющие нитрификацию. Н.б. повышают плодородие почв, принимают участие в биологической очистке сточных вод и органических отходов. Впервые описаны в 1890 г. С. Н. Виноградским.

Нитрификация — процесс биологического превращения восстановленных соединений азота в форму, пригодную для усвоения высшими растениями: аммиак (NH3); нитриты (NO-2); нитраты (NO-3). Различают: а) автотрофную Н., осуществляемую бактерияминитрификаторами ; б) гетеротрофную Н., осуществляемую разнообразными микроорганизмами (включая грибы); в ходе гетеротрофной Н. происходит превращение органических и неорганических соединений азота. Н. играет первостепенную роль в кругообороте азота в биосфере, повышает плодородие почв.

У истоков фотосинтеза: особенности фотосинтезирующих бактерий

Фотосинтезирующие бактерии (другое название – фототрофные) – разновидность микроорганизмов-автотрофов, способных самостоятельно производить из неорганических веществ органические. Присутствующие в их клетках пигменты поглощают энергию Солнца и используют ее для фотосинтеза. Такая способность сближает фотосинтезирующие бактерии, водоросли и высшие растения. Альтернативой при отсутствии света является хемосинтез (от латинского хемо – химический) – получение энергии от окисления химических соединений.

В настоящее время описано более 50 видов фотосинтезирующих микроорганизмов. Их способность к фотосинтезу была доказана американским ученым голландского происхождения Корнелисом Бернардусом ван Нилем в 1931 году. Он же обнаружил одну особенность фотосинтеза у серобактерий – то, что донором атомов водорода у них являются соединения серы, в частности, сероводород. Им было предложено уравнение фотосинтеза, объединявшее высшие растения и фотосинтезирующие бактерии.

Автотрофные бактерии часто являются жителями водоемов. В природной среде редко встречаются одиночные клетки – чаще они образуют объединения в виде цепочек, звезд, ячеек или пластинок, окруженные защитной слизью. Длина клеток колеблется от 1-2 до 50 мкм. Они имеют различную геометрию – известны кокки, палочки, извитые; могут быть подвижными и неподвижными, иметь выросты, ворсинки или жгутики. Такое строение позволяет им демонстрировать различные виды ориентированного движения – фото-, хемо- и аэро таксис (движение в направлении источника света, повышения или понижения концентрации в воде химических веществ или воздуха). Самыми крупными являются пурпурные серобактерии (Purple bacteria). Размножаются они простым (бинарным) делением или почкованием, не окрашиваются по Граму (грамотрицательны).

Строение автотрофных бактерий имеет ряд особенностей, большинство из которых связано с их способностью к хемо- и фотосинтезу. В частности, мембраны фотосинтезирующих форм образуют в клетках структуры, называемые тилакоидами, на поверхности которых собран фотосинтезирующий аппарат. Строение автотрофных бактерий дало повод биологам считать, что высшие растения наличием хлоропластов обязаны бактериям-симбионтам.

Не только кислород

Интересной особенностью бактериального фотосинтеза считается то, что не всегда в его результате образуется кислород. Мало того, многие фотосинтезирующие бактерии – анаэробы и не могут жить в присутствии кислорода, предпочитая окислять сероводород, тиосульфаты, молекулярный водород, серу, которая дальше может превращаться в сульфаты.

Бактериальный фотосинтез не всегда протекает с потреблением углекислого газа. Вместо него фотосинтезирующие микроорганизмы могут использовать другие вещества – соединения серы, например.

Существуют фотоавтотрофные и фотогетеротрофные бактерии. Первые способны жить без органических веществ, синтезируя для себя все необходимое самостоятельно, вторые – не имеют такой способности и нуждаются в органике для полноценного роста.

К фотосинтезирующим бактериям относят оксигенные и аноксигенные микроорганизмы.

Оксигенные

В результате фотосинтеза выделяют кислород. К их числу относят цианобактерии (в том числе азотфиксирующие), которые содержат в своих клетках хлорофилл А, как и фотосинтезирующие растения. Ассимиляция углекислого газа у фотосинтезирующих цианобактерий, которые также называют синезелеными водорослями, происходит с использованием водорода молекул воды.

Аноксигенные

Эти фотосинтезирующие микроорганизмы проводят фотосинтез, не выделяя при этом кислород. В них содержатся бактериохлорофиллы, отличающиеся от тех, которые используют для фотосинтеза растения. В эту группу входят две разновидности микроорганизмов:

  1. Пурпурные несерные бактерии, для которых донором водорода выступают органические соединения. Среди них встречаются виды, способные жить на средах, в которых нет органики. Однако основное их число считается облигатными гетеротрофами, то есть нуждаются в органических веществах для своего существования.
  2. Пурпурные и зеленые серобактерии, использующие в качестве поставщика водорода не воду, а сероводород. Последние образуют цветные слои воды и налеты на камнях пресных и соленых водоемов и накапливают в своих клетках серу.
  3. Зеленые серобактерии и цианобактерии являются облигатными фототрофами и не могут существовать без света. Пурпурные несерные бактерии относятся к числу факультативных фототрофов и способны длительное время существовать без света или при низкой освещенности. Промежуточное положение занимают пурпурные серные бактерии.
  4. Недавно были обнаружены нитчатые зеленые несерные бактерии, неспособные откладывать серу внутри клеток. Они представляют собой однородную группу видов, отличающихся способом питания (гетероавтотрофный), и способных жить на органических субстратах, которые содержат сероводород и молекулярный водород. Среди них много грамположительных и грамвариабельных видов, окраска которых зависит от условий их существования.

Фотосинтез и азотфиксация

Азотфиксация – процесс, который смогли освоить только прокариоты, организмы, не имеющие оформленных и окруженных мембраной ядер. Происходит он при помощи специального фермента, названого нитрогеназой. Азотфиксация является разновидностью хемосинтеза. Интересно, что азотфиксирующие хемосинтетические бактерии — облигатные анаэробы, могут одновременно иметь способность к фотосинтезу и наоборот, то есть являются хемо- и фотосинтетиками.

Многие азотфиксирующие бактерии способны к фотосинтезу. В первую очередь это цианобактерии. Строение клеток этих микроорганизмов позволяет им разделять во времени две фазы – днем они фотосинтезируют с образованием кислорода, а ночью занимаются азотфиксацией. Изучение жизненного цикла цианобактерии анабены (анабэны) продемонстрировало и другой механизм, позволяющий совмещать хемо- и фотосинтез в колонии бактерий. При снижении количества углекислого газа в окружающей среде, некоторые клетки прекращают фотосинтез и превращаются в гетероцисты, внутри которых начинается азотфиксация. Интересно, что при этом соседние клетки, имеющие различный метаболизм, способны обмениваться между собой его продуктами, обеспечивая существование всей колонии.

Автотрофы без хлорофилла

Такие необычные автотрофы были обнаружены среди архебактерий Мертвого моря. В их клетках отсутствуют зеленые хлорофиллы – вместо них так называемые галобактерии содержат бактериородопсин, расположенный на поверхности клеточных мембран. Его строение весьма интересно – это комплекс пигмента ретиналя и специального белка.

Фотосинтезирующие галобактерии являются гетеротрофами, живущими в среде с высоким содержанием солей. Их колонии имеют оранжево-желтый цвет из-за содержания в клетках большого количества каротиноидов. Фотосинтез у данных организмов начинается только в условиях низкой концентрации кислорода. Они не могут существовать в слабосоленых условиях и демонстрируют положительный хемотаксис (движение) в сторону мест с высоким содержанием солей.

Некоторые организмы способны захватывать энергию солнечного света и использовать ее для производства органических соединений. Этот процесс, известный как фотосинтез, необходим для поддержания жизни, поскольку обеспечивает энергию как для производителей, так и для потребителей. Фотосинтезирующие организмы, также известные как фотоавтотрофы, являются организмами, способными к процессу фотосинтеза, и включают высшие растения, некоторые протисты (водоросли и эвглена), а также бактерии.

При фотосинтезе световая энергия преобразуется в химическую энергию, которая хранится в виде глюкозы (сахара). Неорганические соединения (диоксид углерода, вода и солнечный свет) используются для производства глюкозы, кислорода и воды. Фотосинтезирующие организмы используют углерод для получения органических молекул (углеводов, липидов и белков), которые необходимы для построения биологической массы.

Кислород, образующийся в виде побочного продукта фотосинтеза, используется многими организмами, включая растения и животных, для клеточного дыхания. Большинство организмов полагаются на фотосинтез, прямо или косвенно, для получения питательных веществ. Гетеротрофные организмы, такие как животные, большинство бактерий и грибов, не способны к фотосинтезу или продуцированию биологических соединений из неорганических источников. Таким образом, они должны потреблять фотосинтетические организмы и другие автотрофы для получения питательных веществ.

Первые фотосинтезирующие организмы

Мы очень мало знаем о самых ранних источниках и организмах фотосинтеза. Были многочисленные предложения относительно того, где и как возник этот процесс, но нет прямых доказательств для подтверждения любого из возможных происхождений. Имеются внушительные доказательства того, что первые фотосинтезирующие организмы появились на Земле примерно от 3,2 до 3,5 млрд лет назад в виде строматолитов, слоистых структур, подобных формам, которые образуют некоторые современные цианобактерии. Существует также изотопное доказательство автотрофной фиксации углерода около 3,7-3,8 миллиарда лет назад, хотя нет ничего, что указывало бы на то, что эти организмы были фотосинтезирующими. Все эти утверждения о раннем фотосинтезе весьма противоречивы и вызвали множество споров в научном сообществе.

Хотя считается, что жизнь впервые появилась на Земле около 3,5 миллиардов лет назад, вероятно, ранние организмы не метаболизировали кислород. Вместо этого они полагались на минералы, растворенные в горячей воде вокруг вулканических жерл. Возможно, что цианобактерии начали производить кислород в качестве побочного продукта фотосинтеза. По мере роста концентрации кислорода в атмосфере, он начал отравлять многие другие формы ранней жизни. Это привело к эволюции новых организмов, которые могли использовать кислород в процессе, известном как дыхание.

Современные фотосинтезирующие организмы

К основным организмам, которые перерабатывают энергию солнца в органические соединения относятся:

  • Растения;
  • Водоросли (диатомовые водоросли, фитопланктон, зеленые водоросли);
  • Эвглена;
  • Бактерии — цианобактерии и аноксигенные фотосинтетические бактерии.

Фотосинтез в растениях

Фотосинтез растений происходит в специализированных органеллах растительных клеток, называемых хлоропластами. Хлоропласты встречаются в листьях растений и содержат пигмент хлорофилл. Этот зеленый пигмент поглощает световую энергию, необходимую для процесса фотосинтеза. Хлоропласты содержат внутреннюю мембранную систему, состоящую из структур, называемых тилакоидами, которые служат местами преобразования энергии света в химическую энергию. Двуокись углерода превращается в углеводы в процессе, известном как фиксация углерода или цикл Кальвина. Углеводы могут хранится в виде крахмала, используемого во время дыхания или для производства целлюлозы. Кислород, который образуется в процессе, выделяется в атмосферу через поры в листьях растений, называемые устьицами.

Растения и цикл питательных веществ

Растения играют важную роль в цикле питательных веществ, в частности, углерода и кислорода. Водные и наземные растения (цветущие растения, мхи и папоротники) помогают регулировать углерод в атмосфере, удаляя углекислый газ из воздуха. Растения также важны для производства кислорода, который выделяется в воздух как ценный побочный продукт фотосинтеза.

Водоросли и фотосинтез

Водоросли представляют собой эукариотические организмы, которые имеют характеристики как растений, так и животных. Как и животные, водоросли способны питаться органическим материалом в окружающей их среде. Некоторые водоросли также содержат органеллы и структуры, обнаруженные в клетках животных, такие как жгутики и центриоли. Как и растения, водоросли содержат фотосинтетические органеллы, называемые хлоропластами. Хлоропласты содержат хлорофилл — зеленый пигмент, который поглощает световую энергию для фотосинтеза. Водоросли также имеют другие фотосинтетические пигменты, такие как каротиноиды и фикобилины.

Водоросли могут быть одноклеточными или существовать в виде больших многоклеточных организмов. Они живут в различных местах обитания, включая соленые и пресные водные среды, влажную почву или породы. Фотосинтезирующие водоросли, известные как фитопланктон, встречаются как в морской, так и в пресноводной среде. Морской фитопланктон состоит из диатомей и динофлагеллятов. Пресноводный фитопланктон включает зеленые водоросли и цианобактерии. Фитопланктон плавает вблизи поверхности воды, чтобы получить лучший доступ к солнечному свету, который необходим для фотосинтеза. Фотосинтетические водоросли жизненно важны для глобального цикла веществ, таких как углерод и кислород. Они поглощают углекислый газ из атмосферы и генерируют более половины кислорода на планетарном уровне.

Эвглена

Эвглена — одноклеточные протисты, которые были классифицированы по типу эвгленовые (Euglenophyta) с водорослями из-за своей способности к фотосинтезу. В настоящее время, ученые считают, что они не являются водорослями, а приобрели свои фотосинтетические способности через эндосимбиотические отношения с зелеными водорослями. Таким образом, эвглена была помещена в типологию эвгленозои (Euglenozoa).

Фотосинтетические бактерии:

Цианобактерии

Цианобактерии — это кислородные фотосинтетические бактерии. Они собирают солнечную энергию, поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Как растения и водоросли, цианобактерии содержат хлорофилл и превращают углекислый газ в глюкозу через фиксацию углерода. В отличие от эукариотических растений и водорослей, цианобактерии являются прокариотическими организмами. Им не хватает окруженного мембраной ядра, хлоропластов и других органелл, обнаруженных в клетках растений и водорослей. Вместо этого цианобактерии имеют двойную наружную клеточную мембрану и сложенные внутренние тилакоидные мембраны, которые используются при фотосинтезе. Цианобактерии также способны к фиксации азота, процесс превращения атмосферного азота в аммиак, нитрит и нитрат. Эти вещества абсорбируются растениями для синтеза биологических соединений.

Цианобактерии встречаются в различных наземных биомах и водных средах. Некоторые из них считаются экстремофилами, потому что обитают в чрезвычайно суровых условиях, например горячие источники и гиперсоленные водоемы. Цианобактерии также существуют как фитопланктон и могут жить в других организмах, таких как грибы (лишайники), простейшие и растения. Они содержат пигменты фикоэритрин и фикоцианин, которые отвечают за их сине-зеленый цвет. Эти бактерии иногда ошибочно называют сине-зелеными водорослями, хотя они вообще к ним не принадлежат.

Аноксигенные бактерии

Аноксигенные фотосинтетические бактерии представляют собой фотоавтотрофы (синтезируют пищу с использованием солнечного света), которые не продуцируют кислород. В отличие от цианобактерий, растений и водорослей, эти бактерии не используют воду в качестве донора электронов в транспортной цепи электрона при производстве АТФ. Вместо этого они используют водород, сероводород или серу в качестве основных доноров электронов. Аноксигенные бактерии также отличаются от цианобактерий тем, что у них нет хлорофилла для поглощения света. Они содержат бактериохлорофилл, который способен поглощать более короткие волны света, чем хлорофилл. Таким образом, бактерии с бактериохлорофиллом, как правило, обнаруживаются в глубоких водных зонах, куда могут проникать более короткие длины волн света.

Примеры аноксигенных фотосинтетических бактерий включают пурпурные и зеленые бактерии. Пурпурные бактериальные клетки бывают разных форм (сферические, стержневые, спиральные), и они могут быть подвижными или не подвижными. Пурпурные серные бактерии обычно встречаются в водных средах и серных источниках, где присутствует сероводород и отсутствует кислород. Пурпурные несерные бактерии используют более низкие концентрации сульфида, чем пурпурные серные бактерии. Зеленые бактериальные клетки обычно имеют сферическую или стержнеобразную форму, и в основном не подвижны. Зеленые серные бактерии используют сульфид или серу для фотосинтеза и не могут жить при наличии кислорода. Они процветают в богатых сульфидами водных средах и иногда образуют зеленоватый или коричневый окрас в своих местах обитания.

Понравилась статья? Поделись с друзьями:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *